Силикаты и производство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Силикаты в природе

силикат керамический стекольный глина

Природные силикаты образовались в основном из расплавленной магмы. Предполагается, что при затвердевании магмы из нее сначала выкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом -ортосиликаты, затем после израсходования катионов выделялись силикаты с высоким содержанием кремнезема - полевые шпаты, слюды и, наконец, чистый кремнезем. Силикаты - сложные кремнекислородные соединения в виде минералов и горных пород, занимают определяющее место в составе земной коры (80% по В.И.Вернадскому). А если добавить природный оксид кремния - кварц, то кремнекислородные соединения образуют более 90% массы земной коры и практически полностью слагают объем Земли. Силикатные минералы являются породообразующими: такие горные породы, как гранит, базальт, кварцит, песчаник, полевой шпат, глина, слюда и другие, сложены силикатными и алюмосиликатными минералами. Абсолютное большинство силикатных минералов является твердыми кристаллическими телами, и только незначительное количество минералов находится в аморфном состоянии (халцедон, опал, агат и др.) или в коллоидно-дисперсном состоянии: глины, цеолиты, палыгорскит и др. Каждый минерал, как известно, обладает совокупностью физических и химических свойств, которые всецело определяются его кристаллической структурой и химическим составом.

Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу их составляют комбинации атомов самых распространенных элементов - Si (кремния) и O (кислорода).

Координатное число кремния 4. Таким образом, каждый атом кремния находится в окружении четырех атомов кислорода. Если соединить центры атомов кислорода, то образуется пространственная кристаллическая структура - тетраэдр, в центре которого находится атом кремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода в вершинах. Такая группировка называется кремнекислородным радикалом [SiO] . Химическая связь Si-O-Si называется силоксановой, природа связи - ковалентная, энергия связи Si-O очень высока и равняется 445 кДж/моль.

Поскольку устойчивое координатное число кремния равно 4, силикатные структуры полимерны. Они представлены различными типами структур - островной, кольцевой, цепочечной или слоистой, каркасной.

Состав и строение главных породообразующих минералов определяют их свойства, а, следовательно, и поведение в массивах горных пород при различных механических, физических и физико-химических воздействиях в естественных условиях залегания и при проведении горных работ. Таким образом, химия силикатов является одним из главных моментов при проектировании и технологии проведения горных работ. Кроме того, многочисленные силикатные минералы и породы широко используются как сырьевые материалы в различных технологических производствах, например, в высокотемпературных процессах (обжиг, спекание, плавление) при производстве:

1) цемента (глины, карбонаты, мергели);

2) глазурей, стекол (полевые шпаты, пегматиты, нефелины, и другие алюмосиликаты, циркон);

3) легких заполнителей и

4) огнеупоров, керамических изделий (глины, каолины, силлиманиты, циркон);

5) форстеритовых огнеупоров (дуниты, оливиновые минералы, тальк, асбестовые отходы);

6) фарфора (глины, каолины и др.);

7) изоляторов (тальк);

8) каменных материалов (глины).

Группа силикатов используется без обжига в качестве:

1) адсорбентов для очистки газов и вод (бентонитовые глины, цеолиты);

2) компонента буровых растворов (бентонитовые высокодисперсные глины);

3) наполнителя при производстве бумаги, резины (каолины, тальк);

4) драгоценных камней (изумруд, топаз, цветные турмалины, хризотил, голубые аквамарины и др.).

2. Основные области применения соединений кремния в народном хозяйстве.

Как видно из вышеописанного большая часть силикатов используется в основном в строительстве. Также нельзя приуменьшать роль соединений кремния в таких отраслях промышленности, как производство товаров широкого потребления (посуды, стеклоизделий и т.д.), и ювелирной промышленности.

Производство силикатов. Керамическое производство

Сырьём для керамического производства служат различного рода глины.

Глина - тонкодисперсная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Обычно в глинах содержится примесь кластического аллотигенного материала зерен кварца, полевых шпатов и других материалов, и аутигенного материала - карбонатов, сульфатов, гидроксидов железа и др. П.А. Земятчинский определял глины как горные породы, способные образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее по высыхании приданную ему форму, после обжига приобретающее твердость камня. Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гидроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью и гидрофильностью. С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы: 1) каолины, 2) огнеупорные и тугоплавкие глины, 3) высокосорбирующие глины (отбеливающие), 4) легкоплавкие глины.

Каолины, точнее, первичные каолины, применяются большинством отраслей промышленности благодаря особенностям своего состава и набору свойств. Как правило, промышленностью используются обогащенные каолины, реже каолин-сырец. Обогащение каолинов проводится путем отмучивания, флотации, магнитной и электромагнитной сепараций и другими методами. Каолиновый концентрат в ряде случаев подвергается облагораживанию (путем обработки реактивами) для придания ему большей белизны. Попутные продукты обогащения каолина - кварц и полевые шпаты. Главные потребители обогащенного каолина - бумажная и керамическая промышленности, а также резиновая, мыловаренная, огнеупорная, химическая. В меньшей степени он используется в парфюмерно-косметической и кабельной отраслях промышленности, а также при изготовлении клеенки, пластмасс, минеральных красок, карандашей, в производстве силумина (сплав Al 87%, Si 13%) и др. Каолин-сырец используется в цементной промышленности, при производстве полукислых огнеупоров. Каолин также идет на изготовление фарфоровых изделий.

Диоксид кремния - основа для получения кремния, производства обыкновенного и кварцевого стекла, а также необходимый компонент керамики и абразивных материалов.

Фарфоровые изделия широко применяют в химической, электротехнической промышленности, в химических лабораториях (фарфоровые тигли, чашки, ступки, стаканы и т. д.). В химической промышленности фарфоровые изделия имеют большое значение вследствие их устойчивости против кислот, щелочей, и других химических реактивов, большой механической прочности, термической устойчивости и огнеупорности. В электротехнической промышленности фарфор применяют в качестве надежного изоляционного материала (фарфоровые изоляторы, «свечи» для автомобильных и авиационных моторов и т. д.).

Наиболее распространена глина, окрашенная соединениями железа в желтый цвет. Из нее готовят строительные кирпичи, кислото- и огнеупорные изделия, дренажные трубы, кровельную черепицу, гончарные изделия и т.д.

Стекольное производство

Сырьем в стекольном производстве служат кремнезем SiO2 и силикаты щелочных и щелочноземельных металлов. Состав стекла в общем виде может быть представлен формулой: xЭ2О.уЭО.zSiO2, где Э2О - окисел щелочного металла (Na2O, K2O, Li2O и др.); ЭО - окисел щелочноземельного металла (СаО, MgO, BaO) и SiO2 - кислотный окисел (кремневый ангидрид). Окислы щелочной группы понижают вязкость и температуру плавления стекла, а также его твердость. Окислы щелочноземельной группы повышают химическую стойкость стекла, а окислы кислотной группы (SiO2, а иногда Al2O3, B2O3, P2O5 и др.) сообщают высокую термическую, химическую и механическую стойкость.

Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической).

Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатоообразование, стекловарение, осветление, гомогенизацию и охлаждения («студку»).

Обыкновенное белое стекло получают сплавлением смеси соды Na2CO3 и мела CaCO3 с большим количеством кремнезема (белого песка) SiO2. Состав этого стекла может быть выражен формулой Na2O. CaO. 6SiO2.

Если вместо воды взять поташ K2CO3, то силикат натрия в стекле заменится на силикат калия K2SiO3. При этом получаются тугоплавкие стекла, состав которых может быть выражен формулой: K2O. CaO.6SiO2. Таким путем получают оконное стекло (так называемое бемское), бутылочное и вообще посудное стекло.

При замене окиси кальция окисью свинца PbO получают хрустальное стекло приблизительного состава K2O. PbO. 6SiO2. Свинцовые стекла сильно преломляют лучи света и отличаются блеском. Из них готовят хрустальную посуду, колбы для электроламп и пр.

Существует большое число сортов стекла, изготовляемых для разных целей: оптическое, термометрическое, увиолевое (проницаемое для ультрафиолетовых лучей; обычное стекло не пропускает эти лучи), различные жаростойкие стекла. Стекло является важным строительным материалом. Готовят ткани из стекла. Начинают широко применять стеклянные трубы (достоинство их: большая стойкость против корродирующих агентов). Жаростойкое стекло служит для изготовления кастрюль сковородок и т.д.

Обыкновенное бутылочное стекло окрашено в зеленый цвет солями двухвалентного железа. Цветные стекла получают введением в массу при плавлении различных добавок в мелкораздробленном состоянии. Так, закись кобальта CoO придает стеклу синюю окраску, закись меди Cu2O красную, окись хрома Cr2O3 ярко-зеленую окраску. Небольшие примеси в стекле в мелкораздробленном состоянии металлического серебра придают ему желтую окраску, а золота - красивую ярко-красную (рубиновое стекло) и т.д.

Состав некоторых промышленных стекол

Стекло Химический состав, %

SiO2 B2O3 Al2O3 MgO CaO BaO PbO Na2O K2O Fe2O3 SO3

Оконное ……. 71,8 - 2 4,1 6,7 - - 14,8 - 0,1 0,5

Тарное ……… 71,5 - 3,3 3,2 5,2 - - 16 - 0,6 0,2

Посудное …… 74 - 0,5 - 7,45 - - 16 2 0,05 -

Хрусталь …… 65,5 - 0,48 - 1 - 27 6 10 0,02 -

Химико-лабораторное… 68,2 2,7 3,9 - 8,5 - - 9,4 7,1 - -

Оптическое … 41,4 - - - - - 53,2 - 5,4 - -

Кварцоидное… 96 3,5 - - - - - 0,5 - - -

Электроколбочное………. 71,9 - - 3,5 5,5 2 - 16,1 1 - -

Электровакуумное……… 66,9 20,3 3,5 - - - - 3,9 5,4 - -

Медицинское… 73 4 4,5 1 7 - - 8,5 2 - -

Жаростойкое… 57,6 - 25 8 7,4 - - - 2 - -

Термостойкое… 80,5 12 2 - 0,5 - - 4 1 - -

Термометрическое………. 57,1 10,1 20,6 4,6 7,6 - - - - - -

Защитное……. 12 - - - - - 86 - 2 - -

Радиационно-стойкое……… 48,2 4 0,65 - 0,15 29,5 - 1 7,5 - -

Стеклянноеволокно…….. 71 - 3 3 8 - - 15 - - -

Силикаты калия и натрия растворяются в воде. В технике эти вещества называют растворимыми стеклами. Их раствор называется жидким стеклом. Находит применение в мыловаренном производстве, в крашении, в производстве бумаги, а также для пропитки дерева и тканей с целью сообщения им несгораемости и стойкости против гниения.

Жидкое стекло - одно из важнейших неорганических клеящих веществ (адгезив). Это связано с тем, что силикат натрия находится в нем в виде макромолекул. Жидким стеклом пропитывают ткани и дерево для придания им огнестойкости; оно применяется для изготовления кислотоупорного цемента, силикатных красок и глазурей.

Почти все виды песка, образующие иногда пластины огромной мощности, состоят из кварца. Чистые прозрачные кристаллы кварца идут на изготовление линз и призм, пропускающих УФ-излучение. Для этих целей используется также кварцевое стекло. Пьезоэлектрические свойства кварца находят применение в приборах для генерации ультразвука. Из непрозрачного технического кварцевого стекла изготавливают крупногабаритную термо- и кислотную химическую аппаратуру, муфели для электрических печей. Особо чистое прозрачное кварцевое стекло применяется для изготовления труб, аппаратов и емкостей для полупроводниковой техники и радиоэлектроники.

Классификация и характеристика

Все многообразие силикатных товаров классифицируется следующим образом:

класс бытовых товаров, к которому относятся посуда и художественные изделия;

класс архитектурно-строительных товаров, предназначенных для строительства и украшения зданий;

класс изделий технического назначения, применяемых для оборудования лабораторий и обслуживания технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.

Полезность изделий из стекла и керамики для потребителей определяется комплексом их функциональных, эргономических, эстетических свойств и надежностью.

Функциональные свойства. Каждое силикатное изделие выполняет две функции: "принимает" и сохраняет пищу и напитки (начальная функция) и "отдает" пищу и напитки полностью или частично по мере необходимости (конечная функция). Если выполненная изделием начальная функция зависит от свойств стекла и керамики, то конечная функция -- от конструктивного решения изделия. Проектное решение важно для создания функционально обоснованных форм и размеров изделий, отвечающих назначению.

Эргономические свойства -- по своему содержанию условно подразделяются на две группы -- гигиенические и комфортность (удобство пользования). Гигиенические требования определяют соответствие посуды нормальным условиям жизнедеятельности людей. Бытовая посуда из стекла и керамики имеет достаточную химическую стойкость и безвредна, однако некоторые силикатные краски, применяемые для декорирования, содержат соли и оксиды тяжелых металлов. Если при кипячении посуды в 4%-ном растворе уксусной кислоты в течение 30 мин она не выделяет соединений свинца, значит посуда безвредна. Кроме этого, необходимо обратить внимание на загрязняемость посуды. Наличие углов, выступов, углублений затрудняет отмывание посуды и увеличивает ее загрязняемость.

Комфортность пользования посудой обусловлена удобством ее держания, переноски и т. п. Это свойство проявляется через ее соответствие антропометрическим, физиологическим, психофизическим данным человека. Так, удобство выполнения изделием функций в значительной степени зависит от размеров держателей крышек, размеров и места расположения ручек размерам и форме руки человека.

Эстетические свойства стеклянных и керамических изделий характеризуются композиционной целостностью, функцио-нальностью формы, информативностью. Целостность композиции как сложное эстетическое свойство посуды раскрывается через ее пространственное декоративное решение, строение, тектонику и пропорции формы.

Для стеклянных и керамических изделий характерно объемно-пространственное решение, являющееся определяющим фактором при экспертной оценке эстетики формы. Строение формы посудных изделий является повторением или чередованием одинаковых и отличающихся геометрических элементов (шара, усеченного шара, конуса, цилиндра и т. д.).

Тектоника формы характеризует художественно-осмысленное, напряженное состояние изделия, соответствие его конструктивного решения возникающим нагрузкам.

Пропорциональностью называется логическое соотношение размеров частей, сторон, площадей, рисунков и т. п. Рациональность формы посуды проявляется через ее функциональную выразительность, выявленность свойств материала. Чем рациональней форма изделия, тем оно прочнее и долговечнее. Наоборот, изделие нерациональное по форме, обладает меньшей полезностью и скорее разрушается. Например, у высоких изделий (вазы для цветов и др.) при нарушении необходимого соотношения высоты и диаметра (h/d > 3,14) появляется неустойчивость.

Информативность посуды складывается из знаковости, оригинальности, соответствия стилю и моде. Под знаковостью понимают отражение в форме изделий различных социально-эстетических идей и представлений (национальных, психологических, религиозных, возрастных), например, детская посуда.

Оригинальность изделия характеризуется наличием в его форме совокупных признаков, обусловливающих отличие от изделий аналогичного назначения, материалов, техники исполнения. Соответствие стилю и моде -- обязательное условие производства стеклянной и керамической посуды. Влияние моды на посуду меньше, чем, например, на обувь или одежду.

Долговечность посуды проявляется через ее физическую и моральную износостойкость. Показателем физической износостойкости является срок службы посуды до предельного состояния, вызванного появлением одного из критических дефектов. Для керамических изделий это могут быть дефекты черепка, глазури, подглазурных рисунков, подрыв ручек и носиков изделий. У стеклянной посуды -- это дефекты стекломассы, выработки, декорирования, конструктивных элементов изделий. Показателем моральной износостойкости выступает срок службы посуды до появления изделий с новыми утилитарными или эстетическими свойствами

Заключение

Нетрудно понять, что в будущем применение силикатов станет еще большим. Металлов в земной коре не так уж много. Углерод, который служит основой органических полимеров и пластмасс, составляет всего лишь 0,1% земной коры по массе. Производство древесины ограничено скоростью прироста леса. А использование силикатов практически не ограничено ничем. По силикатному сырью, можно сказать, мы ходим. Правда имеется существенный недостаток у силикатных изделий. Они обладают большой хрупкостью, но этот недостаток в принципе преодолим. Ведь изобрели же японцы небьющийся фарфор. А на сковородках из мелкокристаллического стекла - ситалла еще двадцать лет назад жарили картошку. Прочность таких сковородок близка к чугунным, и бьются они значительно меньше, чем обычное стекло.

Впрочем, о силикатах можно говорить бесконечно. Сведений о них так много, что химия силикатов давно выделилась в большую самостоятельную отрасль химического знания.

Литература

1. «Большая Советская Энциклопедия» Издательство «Советская Энциклопедия». Москва 1976 г.

2. «Общая химия» А.Г. Кульман Издательство «Колос». Москва 1968 г.

3. «Неорганическая химия» Пособие для абитуриентов и старшеклассников Издательство «Московский Лицей». Москва 1996 г.

4. «Кислоты - основания» Б.В. Мартыненко Издательство «Просвещение». Москва 1988г.

5. «Химия» Справочные материалыИздательство «Просвещение». Москва 1989 г.

6. «Поделочные камни и их обработка» Ю.В. Никитин Издательство «Наука». Ленинград 1979 г.

7. «Полезные ископаемы» Издательство «Недра». Москва 1982

Размещено на Allbest.ru